BAB III PERANCANGAN KENDALI SUDUT PENYALAAN PADA …repository.unika.ac.id/21089/4/15.F1.0016 LIDYA...
Transcript of BAB III PERANCANGAN KENDALI SUDUT PENYALAAN PADA …repository.unika.ac.id/21089/4/15.F1.0016 LIDYA...
23
BAB III
PERANCANGAN KENDALI SUDUT PENYALAAN PADA
MOTOR BLDC MENGGUNAKAN SUDUT EKSITASI
3.1. Pendahuluan
Pada bab ini menjelaskan tentang konstruksi alat yaitu motor BLDC dan
beberapa rangkaian kontrol serta driver untuk mendukung operasi motor tersebut,
yang menggunakan teknik kendali tanpa sensor dengan deteksi EMF balik dari
keluaran motor BLDC. Keluaran tersebut digunakan sebagai sinyal referensi
untuk melakukan komutasi pada motor. Proses pengolahan EMF balik sampai
pada proses penentuan sudut komutasi yang tepat, disajikan dalam beberapa
modul tambahan antara lain rangkaian EMF balik detector, rangkaian Zero
Crossing Detector, rangkaian driver, rangkaian sensor arus, dan penjelasan
mengenai mikrokontroler yaitu dsPIC30F4012 yang menggunakan driver
MOSFET serta inverter tiga fasa. Pada tugas akhir ini, juga menggunakan sensor
arus tipe LEM HX-10P untuk mengukur gelombang arus yang dihasilkan.
3.2. Motor Brushless Direct Current (BLDC) Tipe 42BLF01
Pada alat ini menggunakan motor BLDC dengan merk Hetai Motor, tipe
42BLF01 yang terdiri dari enam kutub stator dan delapan kutub rotor. Pada
konstruksi motor, juga terpasang tiga buah hall effect sensor yang diletakkan
dengan interval jarak 120 derajat elektrik. Dikarenakan alat pada tugas akhir ini
menggunakan kendali tanpa sensor, maka ketiga sensor tersebut tidak lagi
24
digunakan saat beroperasi. Spesifikasi motor BLDC yang digunakan pada alat,
dapat dilihat pada Tabel-3.1.
Table-3.1 Spesifikasi Motor BLDC Merk HETAI Motor Tipe 42BLF01
Model 42BLF01
Jumlah Kutub Rotor
Jumlah Kutub Stator
Nilai Tegangan
Nilai Kecepatan
Nilai Torka
Nilai Arus
Daya Keluaran
Torka Puncak
Arus Puncak
Torka Tetap
EMF Balik
Rotor Inertia
Panjang Body
Massa
8
6
24 VDC
4000 RPM
0.063 Nm
1.9 A
26 W
0.18 Nm
5.7 A
0.035 Nm/A
3.7 V/KRPM
24 gcm2
47 Mm
0.33 Kg
Motor BLDC tipe 42BLF01 bekerja dengan tegangan 24 Volt, motor ini
memiliki tiga kabel yaitu kabel fasa A, fasa B, dan fasa C. Motor BLDC memiliki
beberapa bagian utama, salah satunya adalah rotor yang merupakan bagian yang
bergerak. Kelebihan konstruksi motor BLDC yaitu tidak menggunakan sikat
komutasi dan tidak memiliki lilitan pada bagian rotornya. Rotor pada motor ini
menggunakan magnet permanen. Hal ini menunjukkan bahwa motor BLDC lebih
mudah dalam perawatannya dan memiliki umur operasi kerja yang lebih panjang
dari motor generasi sebelumnya. Terdapat empat pasang kutub magnet pada rotor
yang dapat dilihat pada Gambar-3.1. Pada motor BLDC yang digunakan, jumlah
kutub sangat mempengaruhi terhadap torka yang dihasilkan.
25
N
Gambar-3.1. Konstruksi Motor BLDC
Keluaran yang dihasilkan motor berupa sinyal EMF balik yang harus
diolah/diproses terlebih dahulu pada suatu rangkaian tambahan agar dapat
digunakan sebagai sinyal referensi untuk motor BLDC menentukan sudut
komutasi.
Terdapat bagian penting lainnya dari motor BLDC yaitu stator. Stator pada
motor BLDC tipe 42BLF01 terdiri dari tiga pasang belitan yang tersambung
dengan konfigurasi belitan Y. Rangkaian belitan yang dipasang pada motor ini
dapat dilihat pada Gambar-3.2. Rangkaian tersebut terhubung pada inverter tiga
fasa yaitu terdiri dari fasa A, B, C dan titik netral (N) yang berada pada titik temu
antar belitan.
Gambar-3.2 Hubungan antar fasa dengan konfigurasi belitan Y
X Y
Z
26
3.3. Rangkaian Driver TLP 250
Rangkaian driver merupakan bagian terpenting yang dibutuhkan dalam
mengoperasikan motor BLDC untuk menghubungkan rangkaian daya dengan
mikrokontroller. Selain itu, driver digunakan untuk mengamankan rangkaian
kontrol agar mikokontroller dan rangkaian daya tidak mengalami hubungan secara
langsung. Pada rangkaian driver ini terdapat optocoupler dengan jenis TLP 250
berjumlah enam buah dan sebuah buffer berupa IC 74HC541N karena memiliki
kapasitas keluaran drive yang besar. IC buffer dibutuhkan untuk mengunci
tegangan yang keluar dari mikrokontroler dsPIC30F4012 agar tidak mengalami
penurunan tegangan. Sehingga pensaklaran pada MOSFET inverter tidak
mengalami gangguan. Rangkaian optocoupler digunakan untuk menguatkan
sinyal PWM yang telah dibangkitkan oleh mikrokontroller. TLP 250 berguna
untuk menaikkan tegangan dari 5 Volt menjadi 10-15 VDC. Tegangan tersebut
diperlukan agar dapat mengoperasikan saklar statis MOSFET pada rangkaian
inverter. Rangkaian driver optocoupler jenis TLP250 dapat dilihat pada
Gambar-3.3.
Gambar-3.3 Rangkaian optocoupler jenis TLP250
Keterangan pada konfigurasi pin :
a. Pin 2 untuk input sinyal PWM dari mikrokontroller
27
b. Pin 3 untuk ground mikrokontroller
c. Pin 5 untuk ground dari catu daya TLP250
d. Pin 6 dan 7 sebagai output dari sinyal PWM
e. Pin 6 sebagai input catu daya
Pada pin 1 dan 4 menunjukkan bahwa secara internal tidak terhubung
kemana pun sehingga diberi label N.C. Pada pin 8 terdapat Vcc yang merupakan
sumber positif tegangan, sedangkan pin 5 merupakan ground.
3.4. Catu Daya Isolated B1212s dan B1205s
Untuk menjalankan sistem kontrol, driver inverter tiga fasa memerlukan
suplai tegangan sebesar 12 VDC. Sedangkan mikrokontroler membutuhkan suplai
tegangan berupa sumber DC sebesar 5V. Oleh karena itu, catu daya isolated
B1212s dan B1205s diperlukan. Bentuk fisik catu daya yang digunakan
ditampilkan pada Gambar-3.4.
Gambar-3.4 Catu daya Isolated B1212s/B1205s
[https://www.relec.co.uk/wp-content/uploads/2018/01/B_S-1WR2-3.jpg]
Sesuai dengan penamaan komponen tersebut B1212s dapat menghasilkan
sumber tegangan 12VDC dan B1205s menghasilkan tegangan sebesar 5VDC.
DC-DC isolated B1212s dan B1205s menyalurkan tegangan dari input 12VDC
28
menjadi output yang berbeda yaitu 12VDC dan 5VDC. DC isolated B1212s dan
B1205s dipasang menjadi satu rangkaian tetapi terisolasi antara satu dengan yang
lainnya. Spesifikasi pada masing-masing DC-DC isolated ditampilkan pada
Tabel-3.2.
Table-3.2 Spesifikasi DC-DC Isolated B1212s & B1205s
Tipe
Input Output
Voltage (VDC) Voltage
(VDC)
Current (mA)
Nominal Range Max min
B1205s
12 10.8-13.2 5 400 40
B1212s 12 167 17
3.5. Rangkaian Sensor Arus tipe LEM HX 10-P
Untuk mendapatkan hasil gelombang arus yang dihasilkan dari operasi
motor BLDC diperlukan sensor arus. Sensor arus merupakan perangkat yang
berfungsi untuk mendeteksi arus. Data yang telah didapatkan digunakan untuk
mengetahui posisi arus sehingga topik kendali motor BLDC tanpa sensor dapat
dikembangkan. Cara kerja sensor arus ini yaitu dengan mengkonversi pembacaan
data arus sehingga berbentuk gelombang tegangan. Adapun perbandingan arus
dan tegangan yang dihasilkan dapat diatur sesuai dengan yang diharapkan.
Jenis sensor arus yang digunakan pada penelitian ini adalah sensor arus
LEM HX 10-P. Bentuk fisik sensor arus LEM HX 10-P dapat dilihat pada
Gambar-3.5. Didalam rangkaian sensor arus terdapat banyak penguat, karena
keluaran dari sensor arus perlu untuk diperkuat agar hasil gelombang menjadi
lebih jelas. Rangkaian sensor arus tersebut dapat dilihat pada Gambar-3.6.
29
Gambar-3.5 Sensor arus HX 10-P
[https://media.rs-online.com/t_large/F4358640-01.jpg]
HX
10-P
+
-
+12 V
-12 V +
-
+
-
-12 V
-12 V
+
-
Gambar-3.6 Skema rangkaian sensor arus LEM HX 10-P
3.6. Deteksi EMF Balik
Gaya gerak balik atau sering disebut dengan EMF balik merupakan
tegangan yang muncul dalam arah yang berlawanan dengan aliran arus. Tegangan
pada EMF balik dihasilkan oleh motor BLDC, pada umumnya tegangan ini dapat
diukur pada masing-masing fasa yaitu pada tegangan fasa A dan netral, tegangan
fasa B dan netral, serta tegangan fasa C dan netral. Namun, pada jenis motor yang
digunakan tidak terdapat titik netral yang tersedia pada kabel motor. Oleh sebab
itu, motor BLDC memerlukan titik netral virtual sebagai penggantinya. Titik
30
netral virtual didapat dengan cara merangkai enam buah resistor seperti yang
ditunjukkan pada Gambar-3.7. Tiga baris resistor tersebut dapat mewakilkan
tegangan fasa A, B, dan C. Pada rangkaian EMF balik, rangkaian resistor tersebut
sejajar berada di bagian bawah, merupakan EMF balik detector sedangkan tiga
resistor lainnya yang berada di bagian atas merupakan pembagi tegangan yang
berguna untuk mengamankan modul atau rangkaian dari amplituda EMF balik
yang tinggi.
Gambar-3.7. Rangkaian deteksi EMF balik yang tersambung pada motor BLDC
3.7. Blok Kendali
Rangkaian blok kendali yang digunakan berbasis digital, dengan
menggunakan mikrokontroler Digital Signal Controller (DSC) tipe
dsPIC30F4012. Sama seperti mikrokontroler jenis lain, DSC memiliki respon
interupsi yang cepat dan menawarkan peripheral baik analog maupun digital yang
berorientasi kontrol seperti PWM (Pulse Width Modulation), pilihan clocking
31
yang fleksibel, memiliki power on reset, dan masih banyak lagi. DSC diprogram
dengan menggunakan bahasa C. Pada jenis mikrokontroler ini, terdiri dari
beberapa bagian penting antara lain Input/Output, memori, Central Processing
Unit (CPU), Analog to Digital Converter (ADC), dan juga timer/counter. Dan
semua bagian itu, telah terintegrasi menjadi satu dalam chip tersebut. Tipe DSC
yang digunakan adalah tipe dsPIC30F4012. Kelebihan dari mikrokontroler jenis
ini terdapat crystal di dalamnya sebagai pembangkit clock. DSC memerlukan
sebuah rangkaian system minimum yang dapat dilihat pada Gambar-3.8 di bawah
ini.
MCLR
AN0/RB0
AN1/RB1
AN2/RB2
AN3/RB3
AN4/RB4
AN5/RB5
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKO
RC13
RC14
INT2/RD1 INT1/RD0
RE8
RF3
RF2
VSS
VDD
RE5
RE4
RE3
RE2
RE1
RE0
AVSS
AVDD
Vss
VDD
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
5Vdc
Crystal C2 C3
C1
R1 R2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
dsPIC30F4012
Gambar-3.8. Rangkaian system minimum dsPIC30F4012
Keterangan konfigurasi PIN antara lain:
MCLR (Master Clear) berfungsi untuk reset sinyal digital
mikrokontroller.
VSS adalah suplai positif untuk logic dan pin I/O.
VDD adalah ground untuk logic dan pin I/O.
32
PORT B (RB 0-5) merupakan input atau output ADC (Analog to Digital
Converter).
PORT C (RC 13-14) merupakan pin I/O.
PORT D (RD 0-1) merupakan pin I/O.
PORT E (RE 0-5) merupakan pin I/O.
PORT F (RF 2-3) merupakan pin I/O.
AVSS adalah ground untuk modul analog / ADC
AVDD adalah suplai positif untuk modul analog / ADC
OSC1 - OSC2 / CLKIN – CLKO merupakan input external clock dan
selalu terhubung dengan pin oscillator cystal.
AN0-AN5 merupakan input ADC sesuai pada channel yang digunakan.
DSC tipe dsPIC30F4012 memiliki 28 pin, di mana setiap pin memiliki
fungsi yang berbeda. Adapun Master Clear (MCLR) memiliki fungsi untuk
mereset sinyal pada controller. Vss adalah sumber positif dan terdapat beberapa
port di dalam mikrokontroler ini yaitu port B (RB0), port C (RC), port D (RD) ,
port E (RE), dan port F(RF) yang berfungsi sebagai pin Input/Output.
Mikrokontroler dsPIC30F4012 merupakan buatan dari perusahaan
Microchip Technology yang memiliki lebar data 16-bit dan dilengkapi dengan
pengaturan 30 MIPS instruksi. Mikrokontroler jenis ini dijadikan basis kendali
motor BLDC pada Tugas Akhir ini karena kecepatan pengolahan datanya yang
tinggi
Adapun dalam mengoperasikan motor BLDC diperlukan konverter
sebagai kendali arus yang masuk. Konverter yang digunakan yaitu inverter tiga
33
fasa. Inverter tiga fasa terdiri dari tiga lengan yang terdiri dari enam buah saklar
statis MOSFET dengan seri IRFP250 karena kemampuan MOSFET ini menerima
tegangan sampai dengan sebesar 200V dan arus sebesar 33A. Pada masing-
masing lengan terhubung dengan masing-masing fasa pada stator motor BLDC.
Proses pensaklaran MOSFET dikendalikan oleh rangkaian driver optocoupler
TLP 250. Rangkaian driver tersebut dikendalikan oleh mikrokontroler yang
mendapatkan sinyal referensi yang berasal dari EMF balik motor BLDC.
Ea
Eb
Ec
R
R
R
L-BLDC
L-BLDC
L-BLDC
S2
S1
S4
S3
S6
S5
DC SOURCE
Inverter
BLDC Stator
BEMF Detector
Phasa A
Phasa B
Phasa C
Titi
k N
etr
al V
irtu
al
Low Pass Filter
Zero Crossing Detector
dsPIC30F4012 &
driver MOSFET TLP 250
S1 S3 S5S2 S4 S6
Gambar-3.9 Rangkaian Gabungan Blok Kendali, Konverter, dan Motor BLDC
Pada rangkaian blok kendali, driver, konverter, dan ekuivalen motor
BLDC tiga fasa ditampilkan pada Gambar-3.9, enam buah MOSFET pada
inverter tiga fasa dapat dikendalikan tanpa harus menggunakan sensor namun
diperlukan sinyal referensi yang didapat dari EMF balik salah satu stator fasa.
Pada keluaran sinyal EMF balik, sinyal yang tegangannya bernilai di atas 5 VDC
34
diubah menjadi sinyal positif. Sedangkan, sinyal yang nilai tegangannya bernilai
kurang dari 0 Volt diubah menjadi sinyal negatif. Dalam satu perioda sinyal EMF
balik yang masih berbentuk trapezoidal sama dengan sinyal digital yang telah
diolah pada rangkaian ZCD dan menggambarkan 360 derajat elektrik. Hasil
perubahan keluaran EMF balik yang berbentuk sinyal trapezoidal menjadi sinyal
digital dapat dilihat pada Gambar-3.10.
0 360180 270906030 120 150 210 240 300 330-30
KELUARAN SINYAL EMF BALIK
0
Keluaran Zero Crossing Detector
Derajat Elektrik
Gambar-3.10 Sinyal EMF balik yang masih berbentuk trapezoidal menjadi sinyal digital oleh
ZCD
Berubahnya kecepatan pada motor BLDC, perioda nilai derajat elektrik
pada EMF balik juga akan berubah pada masing-masing saklarnya. Proses
pembacaan data dari EMF balik terhadap masing-masing saklar idealnya seperti
pada Gambar-3.11.
0 360180 270906030 120 150 210 240 300 330-30
DETEKSI EMF BALIK
FASA A
INTTERUPT
0
Derajat Elektrik
SUDUT PENYALAAN KOMUTASI
0
0
Gambar-3.11 Proses pembacaan sinyal dari EMF balik sampai pada sudut komutasi
35
Sinyal EMF balik yang terdapat pada contoh Gambar-3.12 diolah oleh
mikokontroller dengan sudut normal 30 -150 dan 210 -330 . Apabila referensi
dari EMF balik sesuai, maka akan didapat penyalaan sudut komutasi yang tepat.
Tetapi, apabila referensi EMF balik tidak sesuai maka akan didapat penyalaan
sudut yang tidak optimal sehingga performance motor BLDC berkurang.
Deskripsi referensi EMF balik yang tidak tepat dapat dilihat pada
Gambar-3.12. Pada gambar yang ditampilkan di bawah, sinyal berwarna biru
adalah sinyal ideal yang seharusnya terjadi pada keluaran EMF balik. Sedangkan
sinyal yang berwarna merah adalah sinyal penggambaran apabila EMF balik
mengalami pergeseran sinyal.
0 360180 270906030 120 150 210 240 300 330-30
DETEKSI EMF BALIK
FASA A
INTTERUPT
0
Derajat Elektrik
SUDUT PENYALAAN KOMUTASI
0
0
Gambar-3.12 Deskrispsi referensi EMF balik yang tidak tepat
36
EMF balik dari fasa stator
LOW PASS FILTER
Zero Crossing Detector (ZCD)
Fasilitas input capture merubah sinyal digital dari keluaran ZCD
menjadi nilai integer pada dsPIC30F4012
Pembacaan sinyal pada waktu saat ini disebut X0Pembacaan sinyal pada waktu sebelumnya disebut X1
Inisialisasi DSC Clock disebut TMR2 Nilai integer disebut PR
X0<TMR Value
Carrier Signal= TMR - X0
Carrier Signal= TMR+PR-X0
Selesai
TMR<X0<2*TMR
Gambar-3.13 Flow Chart sistem kendali motor BLDC
Proses keluaran EMF balik sampai pada penentuan sudut komutasi yang
tepat dapat dilihat pada flow chart di atas. Keluaran EMF balik didapat dari lilitan
stator yang berada pada kondisi floating. Kondisi ini didapatkan pada saat motor
berputar tetapi salah satu fasa stator tidak terkonduksi. Langkah berikutnya adalah
keluaran EMF balik harus diolah terlebih dahulu oleh rangkaian Low Pass Filter,
37
karena keluaran EMF balik mengandung spike. Frekuensi tinggi/spike dapat
mengganggu sinyal EMF balik, sehingga spike perlu dihilangkan. Saat ini cara
yang dapat digunakkan adalah menggunakan rangkaian LPF. Pada rangkaian
inilah pergeseran fasa tersebut terjadi. Lalu langkah selanjutnya adalah, sinyal
keluaran yang telah mengalami pergeseran akibat dari penggunaan rangkaian
tersebut diproses dan dioleh oleh rangkaian Zero Crossing Detector, sehingga
bentuk sinyal diubah menjadi sinyal digital. Sinyal tersebut memiliki perioda yang
sama dengan EMF balik yang menggambarkan 360 derajat elektrik. Kemudian
sinyal digital itu masuk menuju rangkaian dsPIC30F4012 untuk diproses di dalam
mikrokontroler dengan menggunakan fasilitas input capture. Proses inilah yang
mengubah sinyal digital menjadi berbentuk nilai integer. Nilai integer diolah oleh
mikrokontroler dengan dua persamaan di bawah ini.
360int
ZCDtON on
po
(3-1)
360int
ZCDtOFF
off
po
(3-2)
Adapun nilai ONpoint merupakan nilai awal saat motor melakukan komutasi
sedangkan nilai OFFpoint adalah nilai akhir saat motor berhenti melakukan
komutasi. Variabel ZCD merupakan nilai integer yang didapat melalui proses
input capture dari keluaran EMF balik yang telah diolah pada beberapa modul
rangkaian. Sebelum fasilitas input capture melakukan proses olah data dengan
menggunakan persamaan yang ada di atas, terdapat dua jenis pembagian kondisi
kecepatan motor yang dapat dijabarkan menjadi dua algoritma. Algoritma dan
proses kerja input capture dapat dilihat pada Gambar-3.14.
38
2X TIMER VALUE
0ᵒ 720ᵒ 360ᵒ
TMR<X0<2.TMR(low speed)
X0<TMR(high speed)
INPUT CAPTURE INTERRUPT
180ᵒ 540ᵒ
Proses Input Capture
Derajat Elektrik
Gambar-3.14 Proses kerja Input Capture terhadap kecepatan motor BLDC
Pada gambar yang ditampilkan di atas, input capture memproses
perhitungan dengan mengetahui kondisi kecepatan motor. Terdapat dua kecepatan
motor yaitu kecepatan tinggi dengan frekuensi tinggi dan kecepatan rendah
dengan frekuensi yang rendah pula. Proses input capture memerlukan beberapa
variable seperti, X0 direpresentasikan sebagai sinyal masukan awal dan TMR
direpresentasikan sebagai nilai timer dalam mikrokontroller. Inisialisai input
capture ini dilakukan untuk mengaktifkan clock yang diberi nama TMR. Kondisi
pertama yaitu pada saat nilai sinyal masukan awal lebih sempit daripada nilai
timer pada mikrokontroler (X0<TMR). Hal ini merepresentasikan bahwa motor
mengalami kecepatan tinggi. Sedangkan pada kondisi kedua yaitu saat nilai
39
masukan lebih lebar daripada nilai timer, tetapi tidak melebihi dua kali nilai timer
(TMR<X0<2*TMR). Hal ini juga mereprsentasikan bahwa motor melakukan
kecepatan yang rendah, tetapi tidak terlalu rendah. Selanjutnya, proses
perhitungan angka dilakukan oleh mikrokontroler sehingga didapatkan sudut
penyalaan dengan memberikan enam sinyal berbeda untuk menyalakan MOSFET.
Pada pengujian kendali motor ini, dilakukan dengan menggunakan beberapa
range sudut eksitasi yang bervariasi untuk mengembalikan kondisi sinyal yang
sempat mengalami pergeseran saat melalui rangkaian low pass filter. Sehingga
dilakukan komutasi motor dengan percobaan tiga sudut penyalaan yang berbeda,
yaitu sudut 0 -120 elektrik, 15 -135 elektrik, dan 30 -150 elektrik. Hasil
keluaran dari pola komutasi ketiga sudut eksitasi yang berbeda tersebut dibahas
pada BAB IV berikut ini.